(57)【要約】【課題】  燃料電池の早期起動に、燃料ガス、酸化ガスを加熱するための専用の加熱装置を必要としない燃料電池システムの提供。【解決手段】（１）燃料電池１０と、燃料電池への燃料ガスおよび酸化ガスの供給通路１１と、燃料電池からの燃料ガスおよび酸化ガスの排気通路１２と、排気通路１２に設けられ前記燃料電池からの燃料オフガスを酸化させる反応器１３とを、備えた燃料電池システムであって、燃料電池への供給通路１１から反応器１３に至り反応器１３から燃料電池への供給通路に戻るバイパス通路１４を設け、燃料電池の起動時に、燃料電池に供給される燃料ガスおよび酸化ガスの少なくとも一部をバイパス通路１４に流して反応器１３で加熱する燃料電池システム。（２）バイパス通路１４が反応器１３の内部と連通しており、燃料電池の起動時に、ガスが該反応器１３での反応により加熱されかつ加湿されるようにした。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、該燃料電池への燃料ガスおよび酸化ガスの供給通路と、燃料電池からの燃料ガスおよび酸化ガスの排気通路と、該排気通路に設けられ前記燃料電池からの燃料オフガスを酸化させる反応器とを、備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池への供給通路から前記反応器に至り該反応器から前記燃料電池への供給通路に戻るバイパス通路を設け、燃料電池の起動時に、燃料電池に供給される燃料ガスおよび酸化ガスの少なくとも一部を前記バイパス通路に流して前記反応器で発生する熱により加熱する燃料電池システム。
【請求項２】
前記バイパス通路は、前記燃料電池への燃料ガス供給通路から分岐され前記反応器を通り前記燃料電池への燃料ガス供給通路に戻り水素リッチガスが流れる燃料ガス側バイパス通路と、前記燃料電池への酸化ガス供給通路から分岐され前記反応器を通り前記燃料電池への酸化ガス供給通路に戻り酸素リッチガスが流れる酸化ガス側バイパス通路との、何れか少なくとも一方の通路を含む請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記反応器が、燃料電池起動時に水素リッチなガスを反応器から流出させて燃料電池のアノード側に流す第１の反応器と、燃料電池起動時に酸素リッチなガスを反応器から流出させて燃料電池のカソード側に流す第２の反応器との、何れか少なくとも１種の反応器を含む請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記バイパス通路と前記燃料電池への燃料ガスおよび酸化ガスの供給通路には弁が設けられており、該弁により、燃料電池起動時で前記燃料電池に供給される燃料ガスと酸化ガスの少なくとも一部が前記バイパス通路および前記反応器を通る第１の状態と、燃料電池起動後の通常運転時で前記燃料電池から排出される燃料ガスと酸化ガスの少なくとも一部が前記反応器を通る第２の状態とが、切替え可能である請求項１、２、３の何れか一項記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池起動時に反応器に供給されるガスは、燃料電池の通常運転時に燃料電池のガス入り側に供給するガスと同じである請求項１、２、３、４の何れか一項記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記バイパス通路が前記反応器の内部を連通しており、それによって燃料電池の起動時に、前記反応器に流されるガスが該反応器での反応により加熱されかつ加湿されて前記燃料電池に供給されるようにした請求項１、２、３、４、５の何れか一項記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記バイパス流路が燃料ガス側バイパス通路と酸化ガス側バイパス通路を含み、
前記反応器が燃料電池起動時に水素リッチなガスを排出して燃料電池のアノード側に流す第１の反応器と燃料電池起動時に酸素リッチなガスを排出して燃料電池のカソード側に流す第２の反応器との２つの反応器を含み、
前記燃料電池への燃料ガスおよび酸化ガスの供給通路に設けられる弁は開閉弁であり、該開閉弁は、燃料電池起動時に燃料ガスの全量を前記第１の反応器に流し、酸化ガスの全量を前記第２の反応器に流す請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記バイパス流路が燃料ガス側バイパス通路と酸化ガス側バイパス通路を含み、
前記反応器が燃料電池起動時に水素リッチなガスを排出して燃料電池のアノード側に流す第１の反応器と燃料電池起動時に酸素リッチなガスを排出して燃料電池のカソード側に流す第２の反応器との２つの反応器を含み、
前記燃料電池への燃料ガスおよび酸化ガスの供給通路に設けられる弁は流量制御弁であり、該流量制御弁は、燃料電池起動時に燃料ガスの一部を前記第１の反応器に流し、酸化ガスの一部を前記第２の反応器に流す請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記バイパス流路が酸化ガス側バイパス通路のみを含み、
前記反応器が燃料電池起動時に酸素リッチなガスを排出して燃料電池のカソード側に流す第２の反応器のみを含み、
前記燃料電池への酸化ガスの供給通路に設けられる前記弁は、燃料電池起動時に酸化ガスの少なくとも一部を前記第２の反応器に流す請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記バイパス流路が燃料ガス側バイパス通路のみを含み、
前記反応器が燃料電池起動時に水素リッチなガスを排出して燃料電池のアノード側に流す第１の反応器のみを含み、
前記燃料電池への燃料ガスの供給通路に設けられる前記弁は、燃料電池起動時に燃料ガスの少なくとも一部を前記第１の反応器に流す請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記バイパス通路が、前記反応器の外部に、前記反応器の内部とは非連通に、かつ前記反応器内部と熱交換可能にとりまわされている請求項１、２、３、４、５の何れか一項記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システム（装置）に関し、とくに燃料電池を早期に起動することを可能にする燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池（ＦＣ）は、電解質と電解質の一面に形成されたアノードおよび他面に形成されたカソードからなるＭＥＡと、セパレータとを重ねて形成される。アノードには燃料ガス（通常、水素含有ガス）が供給され、カソードには酸化剤ガス（「酸化ガス」ともいう、酸素含有ガスで、通常、エア）が供給されて、燃料電池で発電が行われる。
燃料ガスは発電で消費され、燃料電池の排気燃料ガスはポンプで燃料ガス供給系に循環される。発電中カソード側から電解質を通して微量の窒素が燃料ガスに混入するので、排気燃料ガスは酸化した後、間欠的に大気に放出される。燃料電池からの排気酸化ガスは大気に放出される。
【０００３】
燃料電池が安定して発電するには、燃料電池が所定温度でかつ供給ガスが加湿されている必要がある。
そのため、燃料電池の起動は遅い。その理由は、起動時は燃料電池の温度が低く、発電が安定する温度になるまでに時間がかかること、また起動時は燃料電池への供給ガスが加湿されておらず、燃料電池の発電が不安定であるからである。
【０００４】
従来、燃料電池の早期起動のために、特開２００１−１５５７５４号公報は、アノード、カソードの各々に燃焼室を設け、燃料電池起動時に各燃焼室の燃焼熱で燃料ガスおよび空気を加熱することを提案している。燃料電池からの排気燃料ガスおよび排気空気は排気燃焼部で完全燃焼される。
しかし、従来技術には、アノード、カソードに専用の燃焼室が必要となり、装置の小型化をはかることが難しいという問題があった。
【特許文献１】特開２００１−１５５７５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする問題点は、従来の燃料電池の早期起動システムでは、アノード、カソードに専用の燃焼室が必要となり、装置の小型化をはかることができないという問題である。
本発明の目的は、燃料電池の早期起動に、燃料ガス、酸化ガスを加熱するための専用の加熱装置を必要としない、したがって装置が小型化され得る燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成する本発明はつぎの通りである。
（１）  燃料電池と、該燃料電池への燃料ガスおよび酸化ガスの供給通路と、燃料電池からの燃料ガスおよび酸化ガスの排気通路と、該排気通路に設けられ前記燃料電池からの燃料オフガスを酸化させる反応器とを、備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池への供給通路から前記反応器に至り該反応器から前記燃料電池への供給通路に戻るバイパス通路を設け、燃料電池の起動時に、燃料電池に供給される燃料ガスおよび酸化ガスの少なくとも一部を前記バイパス通路に流して前記反応器で発生する熱により加熱する燃料電池システム。（本発明の全実施例に共通）
（２）  前記バイパス通路は、前記燃料電池への燃料ガス供給通路から分岐され前記反応器を通り前記燃料電池への燃料ガス供給通路に戻り水素リッチガスが流れる燃料ガス側バイパス通路と、前記燃料電池への酸化ガス供給通路から分岐され前記反応器を通り前記燃料電池への酸化ガス供給通路に戻り酸素リッチガスが流れる酸化ガス側バイパス通路との、何れか少なくとも一方の通路を含む（１）記載の燃料電池システム。（本発明の全実施例に共通）
（３）  前記反応器が、燃料電池起動時に水素リッチなガスを反応器から流出させて燃料電池のアノード側に流す第１の反応器と、燃料電池起動時に酸素リッチなガスを反応器から流出させて燃料電池のカソード側に流す第２の反応器との、何れか少なくとも１種の反応器を含む（１）または（２）記載の燃料電池システム。（本発明の全実施例に共通）
（４）  前記バイパス通路と前記燃料電池への燃料ガスおよび酸化ガスの供給通路には弁が設けられており、該弁により、燃料電池起動時で前記燃料電池に供給される燃料ガスと酸化ガスの少なくとも一部が前記バイパス通路および前記反応器を通る第１の状態と、燃料電池起動後の通常運転時で前記燃料電池から排出される燃料ガスと酸化ガスの少なくとも一部が前記反応器を通る第２の状態とが、切替え可能である請求項１、２、３の何れか一項記載の燃料電池システム。（本発明の全実施例に共通）
（５）  燃料電池起動時に反応器に供給されるガスは、燃料電池の通常運転時に燃料電池のガス入り側に供給するガスの種類と同じである（１）、（２）、（３）、（４）の何れかに記載の燃料電池システム。（本発明の全実施例に共通）
（６）  前記バイパス通路が前記反応器の内部と連通しており、それによって燃料電池の起動時に、前記反応器に流されるガスが該反応器での反応により加熱されかつ加湿されて前記燃料電池に供給されるようにした（１）、（２）、（３）、（４）、（５）の何れかに記載の燃料電池システム。（本発明の実施例１、２、３、４に適用）
（７）  前記バイパス流路が燃料ガス側バイパス通路と酸化ガス側バイパス通路を含み、前記反応器が燃料電池起動時に水素リッチなガスを排出して燃料電池のアノード側に流す第１の反応器と燃料電池起動時に酸素リッチなガスを排出して燃料電池のカソード側に流す第２の反応器との２つの反応器を含み、
前記燃料電池への燃料ガスおよび酸化ガスの供給通路に設けられる弁は開閉弁であり、該開閉弁は、燃料電池起動時に燃料ガスの全量を前記第１の反応器に流し、酸化ガスの全量を前記第２の反応器に流す（６）記載の燃料電池システム。（実施例１に適用）
（８）  前記バイパス流路が燃料ガス側バイパス通路と酸化ガス側バイパス通路を含み、前記反応器が燃料電池起動時に水素リッチなガスを排出して燃料電池のアノード側に流す第１の反応器と燃料電池起動時に酸素リッチなガスを排出して燃料電池のカソード側に流す第２の反応器との２つの反応器を含み、
前記燃料電池への燃料ガスおよび酸化ガスの供給通路に設けられる弁は流量制御弁であり、該流量制御弁は、燃料電池起動時に燃料ガスの一部を前記第１の反応器に流し、酸化ガスの一部を前記第２の反応器に流す（７）記載の燃料電池システム。（本発明の実施例２に適用）
（９）  前記バイパス流路が酸化ガス側バイパス通路のみを含み、
前記反応器が燃料電池起動時に酸素リッチなガスを排出して燃料電池のカソード側に流す第２の反応器のみを含み、
前記燃料電池への酸化ガスの供給通路に設けられる前記弁は、燃料電池起動時に酸化ガスの少なくとも一部を前記第２の反応器に流す（６）記載の燃料電池システム。（本発明の実施例３に適用）
（１０）  前記バイパス流路が燃料ガス側バイパス通路のみを含み、
前記反応器が燃料電池起動時に水素リッチなガスを排出して燃料電池のアノード側に流す第１の反応器のみを含み、
前記燃料電池への燃料ガスの供給通路に設けられる前記弁は、燃料電池起動時に燃料ガスの少なくとも一部を前記第１の反応器に流す請求項６記載の燃料電池システム。（本発明の実施例４）
（１１）  前記バイパス通路が、前記反応器の外部に、前記反応器の内部とは非連通に、かつ前記反応器内部と熱交換可能にとりまわされている（１）、（２）、（３）、（４）、（５）の何れかに記載の燃料電池システム。（本発明の実施例５に適用）
【発明の効果】
【０００７】
上記（１）の燃料電池システムによれば、反応器が燃料オフガス処理機能と燃料電池起動時の燃料電池加熱源を兼ねるので、燃料電池起動専用の加熱源を設ける必要がなく、システムをコンパクトにすることができる。
上記（２）〜（５）の燃料電池システムは、上記（１）の燃料電池システムの種々の態様である。
上記（６）の燃料電池システムによれば、反応器からのガスは燃料ガスの燃焼で生じた水分を含みそれを燃料電池に供給するので、燃料電池に供給されるガスの早期の加熱と加湿を同時に行うことができ、かつ、加熱、加湿したガスの早期の燃料電池への投入を行うことができる。その結果、早期のＦＣ起動が可能となる。
上記（７）〜（１０）の燃料電池システムは、上記（６）の燃料電池システムの種々の態様であり、上記（７）、（８）、（９）、（１０）は、それぞれ、本発明の実施例１、２、３、４に対応する。このうち、上記（８）の燃料電池システムによれば、弁を流量制御弁としたので、燃料電池起動時の空燃比を安定燃焼範囲に維持することができ、水素燃焼が安定する。
上記（１１）の燃料電池システムによれば、上記（６）の燃料電池システムに比べて安価となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に、本発明の燃料電池システムを、図１〜図７を参照して説明する。
図中、図１〜図３は本発明の実施例１を示し、図４は本発明の実施例２を示し、図５は本発明の実施例３を示し、図６は本発明の実施例４を示し、図７は本発明の実施例５を示す。
本発明の実施例のうち実施例１〜実施例４は本発明の第１のグループに属する実施例であり、第１のグループの実施例では、燃料電池への供給ガスが反応器で加湿される。また、本発明の実施例５は、本発明の第２のグループに属する実施例であり、第２のグループの実施例では、燃料電池への供給ガスが反応器で加湿されない。
本発明の全実施例にわたって共通する、または類似する、部分には、本発明の全実施例にわたって同じ符号を付してある。
【０００９】
まず、本発明の全実施例にわたって共通するまたは類似する部分を、たとえば、図１を参照して、説明する。
本発明の燃料電池システムは、燃料電池１０と、燃料電池１０への燃料ガスおよび酸化ガスの供給通路１１と、燃料電池１０からの燃料ガスおよび酸化ガスの排気通路１２と、排気通路１２に設けられ燃料電池１０からの燃料オフガスを酸化させる反応器１３とを、備えている。そして、本発明の燃料電池システムは、燃料電池１０への供給通路１１から反応器１３に至り該反応器１３から燃料電池１０への供給通路１１に戻るバイパス通路１４とを含む。また、本発明の燃料電池システムは、排水素および排エアラインから反応器１３の２次側への通路２０（排水素側通路２０Ａ、排エアライン側通路２０Ｂ）を含む。
本発明の燃料電池システムでは、燃料電池１０の起動時に、燃料電池１０に供給される燃料ガスおよび酸化ガスの少なくとも一部をバイパス通路１４に流して反応器１３で発生する熱により加熱する。
反応器１３と接続するバイパス通路１４は専用の通路であっても排気通路と一部兼ねてもよいが、好ましくはバイパス通路の一部が排気通路を兼ねることで装置の小型化、簡素化をはかることができる。
【００１０】
燃料電池１０は、たとえば、固体高分子電解質型燃料電池であり、電解質と電解質の一面に形成されたアノードと電解質の他面に形成されたカソードとをもつＭＥＡ（Membrane-Electrode Assembly ）とセパレータの積層体（積層方向は上下にかぎるものではなく、任意である）である。燃料ガスは水素含有ガスであり、酸化ガスは酸素含有ガス、たとえば、空気である。
反応器１３は、燃料ガスを酸化させる酸化触媒を有しており、また、吸着触媒を有していてもよい。「酸化」には、「燃焼」を含む。吸着触媒で吸着された燃料ガスは、燃料ガスの酸化触媒における酸化、燃焼時に生じる熱で燃焼され浄化される。
また、バイパス通路１４の、上記の「供給通路１１に戻る」には、燃料電池１０に直接流れる場合を含む。バイパス通路１４の「バイパス」とは、供給通路１１のうちバイパス通路１４への分岐点とバイパス通路からの戻り点との間の通路部分をバイパスするの意味であり、「供給通路１１から反応器１３に行き反応器１３から供給通路１１または燃料電池１１に戻る通路」と言いかえてもよい。
燃料電池１０への燃料ガスおよび酸化ガスの供給通路１１は、燃料電池１０への燃料ガスの供給通路１１Ａと、燃料電池１０への酸化ガスの供給通路１１Ｂを含む。
燃料電池１０からの燃料ガスおよび酸化ガスの排気通路１２は、燃料電池１０からの燃料ガスの排気通路１２Ａと、燃料電池１０からの酸化ガスの排気通路１２Ｂを含む。
【００１１】
燃料電池１０からの燃料ガスの排気通路１２Ａには、燃料ガスの供給通路１１Ａへの循環通路１５が設けられており、該通路１５に、排燃料ガスの排気通路１２Ａを通る水素を燃料ガスの供給通路１１Ａに戻すポンプ１６が設けられている。燃料電池運転中に酸化ガス中の窒素が微量、電解質を通して燃料ガス側へ混入するので、それを抜くために、時々燃料ガスは抜かれ大気に放出される。その大気放出経路に反応器１３が設けられていて、大気放出前に水素を燃焼させ、可燃ガスがそのまま大気に放出されるのを防止する。
【００１２】
バイパス通路１４は、燃料電池１０への燃料ガス供給通路１１Ａから分岐点で分岐され反応器１３を通り燃料電池１０への燃料ガス供給通路１１に戻り水素リッチガスが流れる燃料ガス側バイパス通路１４Ａと、燃料電池１０への酸化ガス供給通路１１Ｂから分岐点で分岐され反応器１３を通り燃料電池への酸化ガス供給通路１１Ｂに戻り酸素リッチガスが流れる酸化ガス側バイパス通路１４Ｂとの、何れか少なくとも一方の通路を含む。このバイパス通路１４は、従来なかったもので、このバイパス通路１４を設けたことにより、従来あった反応器１３を、供給ガスの加熱、および／または加湿に利用できるようになる。
燃料ガス側バイパス通路１４Ａは、反応器１３より上流の燃料ガス側バイパス通路上流部１４Ａｕと、反応器１３より下流の燃料ガス側バイパス通路下流部１４Ａｄとを含む。
酸化ガス側バイパス通路１４Ｂは、反応器１３より上流の酸化ガス側バイパス通路上流部１４Ｂｕと、反応器１３より下流の酸化ガス側バイパス通路下流部１４Ｂｄとを含む。
【００１３】
反応器１３は、燃料電池起動時に水素リッチなガスを反応器から流出させて燃料電池１０のアノード側に流す第１の反応器１３Ａと、燃料電池起動時に酸素リッチなガスを反応器から流出させて燃料電池のカソード側に流す第２の反応器１３Ｂとの、何れか少なくとも１種の反応器を含む。
第１の反応器１３Ａは空燃比λが小で作動される反応器であり、第２の反応器１３Ｂは空燃比λが大で作動される反応器である。
第１の反応器１３Ａの出ガスはＨ2 とＨ2 ＯとＮ2 である。第２の反応器１３Ｂの出ガスは０2 とＨ2 ＯとＮ2 である。
第１の反応器１３Ａの出ガスが燃料ガス供給通路１１Ａを通る燃料ガスと混じり合って燃料電池に供給される時にあは約８０℃以上となる（第１の反応器１３Ａの出ガスはもっと高温）。
第２の反応器１３Ｂの出ガスが酸化ガス供給通路１１Ｂを通る燃料ガスと混じり合って燃料電池に供給される時にあは約８０℃以上となる（第２の反応器１３Ｂの出ガスはもっと高温）。
【００１４】
バイパス通路１４と燃料電池１０への燃料ガスおよび酸化ガスの供給通路１１には弁１７が設けられており、弁１７により、燃料電池起動時で燃料電池１０に供給される燃料ガスと酸化ガスの少なくとも一部がバイパス通路１４および反応器１３を通る第１の状態と、燃料電池起動後の通常運転時で燃料電池１０から排出される燃料ガスと酸化ガスの少なくとも一部が反応器１３を通る第２の状態とが、切替え可能となっている。
燃料ガス側バイパス通路１４Ａと燃料電池１０への燃料ガスの供給通路１１Ａに設けられる弁１７は、燃料電池１０への燃料ガスの供給通路１１Ａの、バイパス通路１４Ａへの分岐点および戻り合流点との間の部分に設けられる弁１７Ａ（１）と、燃料ガス側バイパス通路上流部１４Ａｕに設けられる弁１７Ａ（２）と、燃料ガス側バイパス通路下流部１４Ａｄに設けられる弁１７Ａ（３）と、を含む。
酸化ガス側バイパス通路１４Ｂと燃料電池１０への酸化ガスの供給通路１１Ｂに設けられる弁１７は、燃料電池１０への酸化ガスの供給通路１１Ｂの、バイパス通路１４Ｂへの分岐点および戻り合流点との間の部分に設けられる弁１７Ｂ（１）と、酸化ガス側バイパス通路上流部１４Ｂｕに設けられる弁１７Ｂ（２）と、酸化ガス側バイパス通路下流部１４Ｂｄに設けられる弁１７Ｂ（３）と、酸化ガス側バイパス通路下流部１４Ｂｄで排気通路１２Ｂへの通路との分岐点のすぐ下流の部位に設けられる弁１７Ｂ（４）とを含む。ただし、弁１７Ｂ（４）はなくてもよい。
弁１７は、開閉弁（シャットバルブ）である場合もあるし、流量制御弁である場合もある。弁１７の開閉制御および開度制御は、燃料電池の運転制御装置（車両搭載コンピュータ）からの指令によって行われ、燃料電池の運転（起動時か起動後の通常運転時かなどを含む）に応じて行われる。
【００１５】
バイパス通路１４にも流量調整弁１８が設けられる。
流量調整弁１８は、反応器１３に流れる燃料ガス（水素）と酸化ガス（エア）の流量比を大小に変え、第１、第２の反応器１３Ａ、１３Ｂの空燃比λを調整する。
流量調整弁１８は、燃料ガス側バイパス通路１４Ａの第１の反応器１３Ａへの入口側部分に設けられた流量調整弁１８Ａ（１）と、燃料ガス側バイパス通路１４Ａの第２の反応器１３Ｂへの入口側部分に設けられた流量調整弁１８Ａ（２）と、酸化ガス側バイパス通路１４Ｂの第１の反応器１３Ａへの入口側部分に設けられた流量調整弁１８Ｂ（１）と、燃料ガス側バイパス通路１４Ｂの第２の反応器１３Ｂへの入口側部分に設けられた流量調整弁１８Ｂ（２）と、を含む。
【００１６】
燃料電池１０からの燃料ガスおよび酸化ガスの排気通路１２にも弁１９が設けられる。弁１９はたとえば開閉弁からなる。
弁１９は、燃料電池１０からの燃料ガスの排気通路１２Ａに設けられた弁１９Ａ（１）、１９Ａ（２）、１９Ａ（３）、１９Ａ（４）を含む。弁１９Ａ（１）は排気通路１２Ａのうち循環通路１５が分岐する部位のすぐ下流に設けられ、弁１９Ａ（２）は排気通路１２Ａのうち第１の反応器１３（Ａ）からの分岐通路が合流する部位のすぐ上流側に設けられ、弁１９Ａ（３）は反応器１３への分岐通路で第１の反応器１３（Ａ）より上流側に設けられ、弁１９Ａ（４）は第１の反応器１３（Ａ）への分岐通路で第１の反応器１３（Ａ）より下流側に設けられる。
弁１９は、燃料電池１０からの酸化ガスの排気通路１２Ｂに設けられた弁１９Ｂ（１）、１９Ｂ（２）、１９Ｂ（３）を含む。弁１９Ｂ（１）は排気通路１２Ｂのうち反応器１３への分岐通路が分岐する部位の下流に設けられ、弁１９Ｂ（２）は反応器１３への分岐通路で第２の反応器１３（Ｂ）より上流側に設けられ、弁１９Ｂ（３）は第２の反応器１３（Ｂ）への分岐通路で第２の反応器１３（Ｂ）より下流側に設けられる。
【００１７】
燃料電池起動時に反応器１３に供給されるガスは、燃料電池の通常運転時に燃料電池のガス入り側に供給するガスと同じである。ただし、燃料電池起動時に反応器１３に供給される酸化ガスを、燃料電池の通常運転時に燃料電池のガス入り側に供給するエアとは別の二次空気としてもよい。
【００１８】
本発明の第１のグループに属する実施例（実施例１〜４）では、バイパス通路１４が反応器１３の内部と連通しており、それによって燃料電池１０の起動時に、反応器１３に流されるガス（水素とエア）が該反応器１３での反応（水素のエアによる酸化反応）により加熱され、かつ、反応によって生じた水分により加湿される。
【００１９】
本発明の全実施例に共通する部分の作用、効果はつぎの通りである。
燃料電池１０の起動後通常運転時は、排気通路１２に設けた反応器１３で燃料オフガスをエア（燃料電池１０からの酸化オフガス、または別に供給した二次空気）と反応させて水素無しガスとして大気に放出する。
燃料電池１０の起動時は、反応器１３に燃料ガスとエア（燃料電池１０からの酸化オフガス、または別に供給した二次空気）を供給し、水素の酸化反応により得られた熱で加熱された燃料ガスおよびエアを燃料電池１０に供給し、燃料電池１０の早期起動に利用する。すなわち、燃料オフガスの燃焼用にもともと設けられる反応器１３が、燃料電池排気の燃料オフガス処理と、燃料電池早期起動の加熱源を兼ねるので、燃料電池起動専用の加熱源（燃焼器など）を設ける必要がない。そのため、早期起動が可能で、かつコンパクトな燃料電池システムが得られる。
【００２０】
アノード側に接続される第１の反応器１３Ａとカソード側に第２の反応器１３Ｂの２つの反応器を設けた場合には、燃料電池起動時には、第１の反応器１３Ａは空燃比λを小で運転し、第２の反応器１３Ｂは空燃比λを大で運転する。これによって、燃料電池起動時に、酸素を含まない加熱燃料ガスを燃料電池１０に供給でき、水素を含まない加熱酸化ガスを燃料電池１０に供給できる。必要に応じて、水素センサ、酸素センサをガス通路に設けておいて、燃料ガス、酸化ガスの流量、切替えのフィードバック制御を行うようにすると、さらに精度の高い、起動時制御を行うことができる。
【００２１】
弁１７Ａ（１）、１７Ｂ（１）にシャットバルブを使うとガスの全量を反応器１３に流すことが可能となり、流量制御弁を使うとガスの一部（適宜の量）を反応器１３に流すことが可能となる。弁１７Ａ（１）、１７Ｂ（１）に流量制御弁を使ってエアの一部の量を反応器１３に流すことにより、反応器１３における燃焼を、安定燃焼範囲の空燃比λで燃焼を行わせることが可能となり、水素燃焼が安定する。
【００２２】
本発明の第１のグループに属する実施例（実施例１〜４）では、反応器１３からのガスは燃料ガス（Ｈ2 ）の燃焼で生じた水分を含みそれを燃料電池１０に供給することになるので、燃料電池に供給されるガスの早期の加熱だけでなく、加湿も同時に行うことができるようになる。これによって、早期に燃料電池を安定運転領域に立ち上げることができる。
【００２３】
つぎに、本発明の各実施例に特有な部分を説明する。
〔実施例１〕
本発明の実施例１では、図１〜図３に示すように、バイパス流路１４が燃料ガス側バイパス通路１４Ａと酸化ガス側バイパス通路１４Ｂを含む。反応器１３が燃料電池起動時に水素リッチなガスを排出して燃料電池のアノード側に流す第１の反応器１３Ａと燃料電池起動時に酸素リッチなガスを排出して燃料電池のカソード側に流す第２の反応器１３Ｂとの２つの反応器を含む。燃料電池１０への燃料ガスおよび酸化ガスの供給通路１１Ａ、１１Ｂに設けられる弁１７Ａ（１）、１７Ｂ（１）は開閉弁である。開閉弁１７Ａ（１）、１７Ｂ（１）は、燃料電池起動時に燃料ガスの全量を第１の反応器１３Ａに流し、酸化ガスの全量を第２の反応器１３Ｂに流すように切り替わる。
その場合、起動時には、弁１７Ａ（２）、１７Ａ（３）、１８Ａ（１）、１８Ａ（２）、１９Ａ（２）が開、弁１７Ａ（１）、１９Ａ（３）、１９Ａ（４）が閉とされる。また、弁１７Ｂ（２）、１７Ｂ（３）、１７Ｂ（４）、１８Ｂ（１）、１８Ｂ（２）、１９Ｂ（１）が開、弁１７Ｂ（１）、１９Ｂ（２）、１９Ｂ（３）が閉とされる。
通常運転時には、弁１７Ａ（２）、１７Ａ（３）、１９Ａ（２）が閉、弁１７Ａ（１）、１９Ａ（３）、１９Ａ（４）、１８Ａ（１）、１８Ａ（２）、が開とされる。また、弁１７Ｂ（２）、１７Ｂ（３）、１７Ｂ（４）、１９Ｂ（１）が閉、弁１７Ｂ（１）、１９Ｂ（２）、１９Ｂ（３）、１８Ｂ（１）、１８Ｂ（２）が開とされる。
【００２４】
本発明の実施例１の作用、効果については、ＦＣ起動時には、図２に示すように、開閉弁１７Ａ（１）が閉となり、供給燃料ガスの全量が第１の反応器１３Ａに流れ、第１の反応器１３Ａでλが小にて燃料ガスが燃焼されて加熱されるとともに、燃焼生成水で加湿され、燃料電池１０のアノード側に供給される。同様に、開閉弁１７Ｂ（１）が閉となり、供給酸化ガスの全量が第２の反応器１３Ｂに流れ、第２の反応器１３Ｂでλが大にて燃料ガスが燃焼されて加熱されるとともに、燃焼生成水で加湿され、燃料電池１０のカソード側に供給される。これによって、燃料電池１０の早期起動と加湿が可能になる。
通常運転時（定常運転時）には、図３に示すように、開閉弁１７Ａ（１）が開となり、供給燃料ガスの全量が直接、燃料電池のアノード側に流れ、開閉弁１７Ｂ（１）が開となり、供給酸化ガスの全量が直接、燃料電池のカソード側に流れる。排気燃料ガスは、間欠的に窒素を排出するために、第１の反応器１３Ａに流れ、排気酸化ガスは、常時、第２の反応器１３Ｂに流れ、排水素および「におい成分」を吸着する。第１の反応器１３Ａと第２の反応器１３Ｂは交互に燃焼、浄化（吸着した水素およびにおい成分の燃焼による浄化）される。この燃焼の熱源には、排水素の触媒燃焼で生じる熱が用いられる。
〔実施例２〕
本発明の実施例２では、図４に示すように、燃料電池１０への燃料ガスおよび酸化ガスの供給通路１１Ａ、１１Ｂに設けられる弁１７Ａ（１）、１７Ｂ（１）が流量制御弁である。また、開閉弁１７Ａ（３）、１７Ｂ（３）のすぐ下流に逆止弁２１Ａ、２１Ｂ（供給通路１１Ａ、１１Ｂから反応器１３Ａ、１３Ｂ側へのガスの流れを止める一方向弁）が設けられる。その他の構成は本発明の実施例１の構成と同じである。
【００２５】
本発明の実施例２の作用、効果については、弁１７Ａ（１）、１７Ｂ（１）が流量制御弁からなるため、燃料ガス、酸化ガスのそれぞれの、燃料電池１０に直接流れる量と、反応器１３を介して燃料電池１０に流れる量との流量割合を変えることができる。その結果、空燃比λを安定燃焼範囲にして、反応器１３Ａ、１３Ｂで水素を酸化（燃焼）させることができる。その他の作用、効果は本発明の実施例１の作用、効果と同じである。
〔実施例３〕
本発明の実施例３では、図５に示すように、バイパス流路１３が酸化ガス側バイパス通路１４Ｂのみを含む。燃料ガス側バイパス通路１４Ａは設けられない。また、反応器１３が燃料電池起動時に酸素リッチなガスを排出して燃料電池のカソード側に流す第２の反応器１３Ｂのみを含む。燃料電池への酸化ガスの供給通路１１Ｂに設けられる弁１７Ｂ（１）は、燃料電池起動時に酸化ガスの少なくとも一部（一部だけの場合と、全量の場合の両方を含む）を第２の反応器１３Ｂに流す。燃料電池起動時に酸化ガスの一部だけを第２の反応器１３Ｂに流す場合は、弁１７Ｂ（１）は流量制御弁であり、燃料電池起動時に酸化ガスの全量を第２の反応器１３Ｂに流す場合は、弁１７Ｂ（１）は開閉弁（シャットバルブ）である。
本発明の実施例３の作用、効果については、本発明の実施例１の作用、効果のうち、酸化ガス側の作用、効果が成立する。
〔実施例４〕
本発明の実施例４では、図６に示すように、バイパス流路１３が燃料ガス側バイパス通路１４Ａのみを含む。酸化ガス側バイパス通路１４Ｂは設けられない。また、反応器１３が燃料電池起動時に水素リッチなガスを排出して燃料電池のアノード側に流す第１の反応器１３Ａのみを含む。燃料電池への燃料ガスの供給通路１１Ａに設けられる弁１７Ａ（１）は、燃料電池起動時に燃料ガスの少なくとも一部（一部だけの場合と、全量の場合の両方を含む）を第１の反応器１３Ａに流す。燃料電池起動時に燃料ガスの一部だけを第１の反応器１３Ａに流す場合は、弁１７Ａ（１）は流量制御弁であり、燃料電池起動時に燃料ガスの全量を第１の反応器１３Ａに流す場合は、弁１７Ａ（１）は開閉弁（シャットバルブ）である。
本発明の実施例４の作用、効果については、本発明の実施例１の作用、効果のうち、燃料ガス側の作用、効果が成立する。
〔実施例５〕
本発明の実施例５では、図７に示すように、バイパス通路１４（燃料ガス側バイパス通路１４Ａでもよいし、酸化ガス側バイパス通路１４Ｂでもよいし、両方のバイパス通路１４Ａおよび１４Ｂであってもよい）が、反応器１３の外部に、反応器の内部とは非連通に、かつ反応器１３内部と熱交換可能にとりまわされている。
本発明の実施例５の作用、効果については、バイパス通路１４を通るガスが反応器１３の内部を通らないので、水素と酸素との酸化、燃焼が起こらず、したがって、水分の発生がなく、加湿されない。しかし、排気燃料ガスの酸化はあるので、その時の熱により、供給ガスが反応器での熱交換により温められ、供給ガスの加熱は行われる。その他の作用、効果は本発明の実施例１の作用、効果に準じる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施例１の燃料電池システムの系統図である。
【図２】本発明の実施例１の燃料電池システムの起動時の系統図である。
【図３】本発明の実施例１の燃料電池システムの定常運転時の系統図である。
【図４】本発明の実施例２の燃料電池システムの系統図である。
【図５】本発明の実施例３の燃料電池システムの系統図である。
【図６】本発明の実施例４の燃料電池システムの系統図である。
【図７】本発明の実施例５の燃料電池システムの系統図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０  燃料電池
１１  燃料電池へのガスの供給通路
１１Ａ  燃料ガスの供給通路
１１Ｂ  酸化ガスの供給通路
１２  燃料電池からのガスの排気通路
１２Ａ  燃料ガスの排気通路
１２Ｂ  酸化ガスの排気通路
１３  反応器
１３Ａ  第１の反応器
１３Ｂ  第２の反応器
１４  バイパス通路
１４Ａ  燃料ガス側バイパス通路
１４Ｂ  酸化ガス側バイパス通路
１５  循環通路
１６  ポンプ
１７  弁
１７Ａ  燃料ガス側弁
１７Ｂ  酸化ガス側弁
１８、１８Ａ（１）、１８Ａ（２）、１８Ｂ（１）、１８Ｂ（２）  流量制御弁
１９  開閉弁
２０  排水素および排エアラインから反応器の２次側への通路
２０Ａ  排水素側通路
２０Ｂ  排エアライン側通路
２１  逆止弁
２１Ａ  燃料ガス側逆止弁
２１Ｂ  酸化ガス側逆止弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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